Fixação de nitrogênio: diferenças entre revisões

A fixação'''Fixação de nitrogênio''' é o processo pelo qual o [[nitrogênio]] gasoso é convertido em [[amônia]] (N₂→NH → NH₃),<ref>{{citar livro|título=Chemical Oceanography|ultimo=MILLERO|primeiro=Frank J.|editora=|ano=|local=|páginas=|acessodata=}}</ref>, ou outra [[molécula]] semelhante, para poder então ser incorporado naem uma molécula orgânica (por exemplo, [[biomassaaminoácido]] de organismos vivos). OEsse processo é essencial, poisem apesarambientes donaturais nitrogêniopobres serem um composto crucial para a vida na Terranitrogênio, sendopois necessárioele paraconverte auma construçãoforma de moléculasnitrogênio básicasinerte comoem nucleotídeos, DNA, RNA e clorofila, ele se apresenta naturalmente e uma forma nãooutra disponível para aassimilação grande maioria dospor organismos vivos. NosEm continentesambientes terrestres, [[Diazotrofismo|bactérias diazotróficas . (através da associação principalmente do gênero ''[[Rhizobium]]'', com raízes de plantas da família dasalguns [[leguminosasFungi|fungos]] (e [[FabaceaeLevedura|leveduras]])), alguns fungos e leveduras podem realizar a fixação do nitrogênio.<ref>{{citar livro|título=Nitrogen Fixation: Global Perspectives: Proceedings of the 13th International Congress on Nitrogen Fixation|ultimo=FINAN|primeiro=T. M.|editora=|ano=|local=|páginas=|acessodata=}}</ref><ref>{{citar periódico|ultimo=HUBBEL|primeiro=D. H.|data=2009|titulo=Biological Nitrogen Fixation|jornal=University of Florida|doi=|url=|acessadoem=}}</ref> Um exemplo clássico de fixação de nitrogênio envolve bactérias do gênero ''Rhizobium'' que vivem associadas [[Simbiose|simbioticamente]] a raízes de plantas [[leguminosas]] (família Fabaceae). HáTambém há evidências da associação de bactérias fixadoras de [[nitrogênio]] também com [[gramíneas]] ([[família Poaceae]]),. porémNeste caso, as bactérias não formandoformam nódulos nas raízes da planta (como ocorre com as [[leguminosas]]) e fixandofixam o [[nitrogênio]] atmosférico somente quando não há acúmulo de [[oxigênio]] em seu entorno. As bactérias utilizam parte dos [[fotoassimilados]] da planta hospedeira para gerar a energia necessária para promover oesse processo de fixação biológica de nitrogênio. Por outro lado, a planta beneficia-se do nitrogênio fixado pela bactéria para síntese de suas [[Proteína|proteínas]]. A inoculação de bactérias [[wikipedia:Diazotroph|diazotróficas]] em sementes de [[Fabaceae|leguminosas]], é uma tecnologia capaz de reduzir consideravelmente a [[adubação]] mineral nitrogenada (e em alguns casos substituí-lasubstitui completamente a adubação), pois o Nnitrogênio fixado pode alcançar em média 1500 kg/ha, resultandopor [[hectare]] e resulta em expressiva redução do custo de produção da cultura. Essa tecnologia deve-se principalmente aos estudos de [[Johanna Döbereiner]] (1924-2000). NosNo oceanosoceano, as [[Cyanobacteria|cianobactérias]] são os principais organismos fixadores do nitrogênio gasoso dissolvido na [[água do mar]]. ''[[wikipedia:Trichodesmium|Trichodesmium]]'' é o principal gênero de cianobactéria fixadora de nitrogênio no oceano.<ref name=":0">{{citar periódico|ultimo=CAPONE|primeiro=DOUGLAS|data=2008|titulo=The marine nitrogen cycle|jornal=MICROBE-AMERICAN SOCIETY FOR MICROBIOLOGY|doi=|url=https://www.researchgate.net/profile/Douglas_Capone/publication/296900647_The_Marine_Nitrogen_Cycle/links/577a894708aec3b743357204.pdf|acessadoem=}}</ref>. A fixação do nitrogênio também tem um importante papel na agricultura e na indústria, com destaque para as [[Indústria farmacêutica|indústrias farmacêutica]] e [[IndustriaIndústria Bélicabélica|bélica]]. Por exemplo, o processo de fixação do nitrogênio é empregado na fabricação de alguns explosivos a base de nitrogênio.<ref>{{Citar periódico|ultimo=Howard|primeiro=James B.|ultimo2=Rees|primeiro2=Douglas C.|data=1996-01-01|titulo=Structural Basis of Biological Nitrogen Fixation|jornal=Chemical Reviews|volume=96|numero=7|paginas=2965–2982|issn=0009-2665|doi=10.1021/cr9500545|url=http://dx.doi.org/10.1021/cr9500545}}</ref>.

== Fixação biológica do nitrogênio em ambientes terrestres ==

[[Ficheiro:Processobioquimicofixaçãodonitrogênio.png|thumb|direita|460x460px|ProcessosReações bioquímicosbioquímicas envolvidosenvolvidas na fixação biológica do nitrogênio.|borda]]

Os primeiros indícios da fixação de nitrogênio remontam ao começo do século XIX, a partir da observação do sucesso no desenvolvimento de plantas leguminosas mesmo em solos com baixo teor de nitrogênio.<ref name=":0" />. No final daquele século pesquisadores alemães finalmente desvendaram o mecanismo para a fixação biológica do nitrogênio.<ref name=":0" />. De maneira geral, a fixação biológica do nitrogênio acontece quando o nitrogênio atmosférico (N₂) é convertido em amônia (NH₃).

N₂ + 8H8 H⁺ + 8e8 e^- + 16 ATP → 2 NH₃ + H₂ + 16 ADP + 16 P

Essa reação é catalisada por um [[Enzima|complexo enzimático]] chamado nitrogenase. Essa [[enzimanitrogenase]]. Esse complexo consiste em duas proteínas,: uma proteínaque decontém [[ferro]] férrico (Fe³⁺) e umaoutra proteínaque decontém ferro-[[molibdênio]].<ref name=":0" /><ref name=":1">{{Citar livro|url=http://link.springer.com/10.1007/978-94-017-9269-1|título=The Metal-Driven Biogeochemistry of Gaseous Compounds in the Environment - Springer|lingua=en|doi=10.1007/978-94-017-9269-1}}</ref>. A reação ocorre enquantoquando o nitrogênio gasoso (N₂) está ligadoliga-se ao complexo enzimático da nitrogenase. A proteína deque contém ferro férrico é primeiro reduzida por [[Elétron|elétrons]] doados pela [[Ferredoxina|ferrodoxina]].<ref name=":1" />, entãoEntão, a proteína reduzida liga-se aà molécula de [[Trifosfato de adenosina|ATP]] e reduz a segunda proteína, que doa elétrons para o nitrogênio gasoso (N_2,), produzindo HN=NH. Esse ciclo repete-se repete mais duas vezes, ondereduzindo a espécie química HN=NH é reduzido para H₂N-NH₂, e então finalmente épara reduzidoduas paramoléculas de amônia (NH₃). OEsse complexo processo de fixação requer a utilização de 16 moléculas de ATP para formar duas moléculas de amônia.<ref name=":0" /><ref name=":1" />. O processo deA geração de elétrons na reação pode diferir conforme o organismo.

A gama de organismos capazes de fixar nitrogênio consiste basicamente de bactérias, que por apresentarem essa característica são denominadas como bactérias diazotróficas. Algumas apresentam vida livre, enquanto outras vivem em [[simbiose]] com organismos ou formas coloniais. Abaixo segue uma tabela com alguns exemplos de bactérias que realizam fixação de nitrogênio.<ref>{{Citar periódico|ultimo=Hoering|primeiro=Thomas C.|ultimo2=Ford|primeiro2=Harrell T.|data=1960-01-01|titulo=The Isotope Effect in the Fixation of Nitrogen by Azotobacter|jornal=Journal of the American Chemical Society|volume=82|numero=2|paginas=376–378|issn=0002-7863|doi=10.1021/ja01487a031|url=http://dx.doi.org/10.1021/ja01487a031}}</ref><ref>{{citar periódico|ultimo=DERK|primeiro=H. G.|data=1950|titulo=Beijerinckia, a new genus of nitrogen-fixing bacteria in tropical soils|jornal=Repr. Meded. Konink. Ned. Akad. Wetens|doi=|url=https://www.cabdirect.org/cabdirect/abstract/19501902308|acessadoem=}}</ref><ref name=":2">{{Citar periódico|ultimo=Cannon|primeiro=F. C.|ultimo2=Postgate|primeiro2=J. R.|data=1976-03-18|titulo=Expression of Klebsiella nitrogen fixation genes (nif) in Azotobacter|jornal=Nature|volume=260|numero=5548|paginas=271–272|doi=10.1038/260271a0|url=http://www.nature.com/nature/journal/v260/n5548/abs/260271a0.html|idioma=en}}</ref><ref>{{Citar periódico|ultimo=Berman-Frank|primeiro=Ilana|ultimo2=Lundgren|primeiro2=Pernilla|ultimo3=Falkowski|primeiro3=Paul|data=2003-04-01|titulo=Nitrogen fixation and photosynthetic oxygen evolution in cyanobacteria|jornal=Research in Microbiology|volume=154|numero=3|paginas=157–164|doi=10.1016/S0923-2508(03)00029-9|url=http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0923250803000299}}</ref><ref name=":3">{{Citar periódico|ultimo=Carnahan|primeiro=James E.|ultimo2=Mortenson|primeiro2=Leonard E.|ultimo3=Mower|primeiro3=Howard F.|ultimo4=Castle|primeiro4=John E.|data=1960-01-01|titulo=Nitrogen fixation in cell-free extracts of Clostridium pasteurianum|jornal=Biochimica et Biophysica Acta|volume=44|paginas=520–535|doi=10.1016/0006-3002(60)91606-1|url=http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0006300260916061}}</ref><ref>{{citar periódico|ultimo=ZAHRAN|primeiro=Hamdi Hussein|data=1999|titulo=Rhizobium-Legume Symbiosis and Nitrogen Fixation under Severe Conditions and in an Arid Climate|jornal=|doi=|url=|acessadoem=}}</ref><ref>{{Citar periódico|ultimo=Newcomb|primeiro=William|ultimo2=Wood|primeiro2=Susan M.|data=1987-01-01|titulo=Morphogenesis and Fine Structure of Frankia (Actinomycetales): The Microsymbiont of Nitrogen-Fixing Actinorhizal Root Nodules|jornal=International Review of Cytology|volume=109|paginas=1–88|doi=10.1016/S0074-7696(08)61719-2|url=http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0074769608617192}}</ref><ref>{{Citar periódico|ultimo=Holguin|primeiro=Gina|ultimo2=Bashan|primeiro2=Yoav|data=1996-12-01|titulo=Nitrogen-fixation by Azospirillum brasilense Cd is promoted when co-cultured with a mangrove rhizosphere bacterium (Staphylococcus sp.)|jornal=Soil Biology and Biochemistry|volume=28|numero=12|paginas=1651–1660|doi=10.1016/S0038-0717(96)00251-9|url=http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0038071796002519}}</ref>.

|  Associadas a plantas

''Klebsiella''

[[Ficheiro:Nitrogen_Cycle.svg|thumb|direita|496x496px|Representação esquemática do ciclo do nitrogênio. em ambientes terrestres, incluindo a fixação biológica do nitrogênio por bactérias diazotróficas]]

As bactérias de vida livre - como ''[[Azotobacter]]'', ''Bacillus'', ''Clostridium'' e ''Klebsiella'' - são [[Heterotrofismo|heterótrofos]] encontrados no solo, sendo responsáveis por apenas uma pequena parcela do nitrogênio fixado biologicamente. Boa parte do nitrogênio fixado em ambientes terrestres provém da interação simbiótica entre bactérias e plantas. As plantas fornecem açucares às bactérias. Tais moléculas possuem a energia necessária para a fixação do nitrogênio. Por sua vez, as bactérias simbióticas fornecem à planta o nitrogênio recém fixado. A relação simbiótica mais importante ocorre entre as plantas leguminosas e as bactérias dos gêneros ''Rhizobium'' e ''Bradirhizobium''.<ref>{{Citar periódico|ultimo=Vance|primeiro=Carroll P.|data=2001-10-01|titulo=Symbiotic Nitrogen Fixation and Phosphorus Acquisition. Plant Nutrition in a World of Declining Renewable Resources|jornal=Plant Physiology|volume=127|numero=2|paginas=390–397|issn=0032-0889|pmid=11598215|doi=10.1104/pp.010331|url=http://www.plantphysiol.org/content/127/2/390|idioma=en}}</ref>. Essa simbiose causa a formação de nódulos nas raízes da planta, sendo o processo de nodulação das leguminosas essencial para o seu crescimento e desenvolvimento.

== Fixação debiológica do nitrogênio no oceano ==

NoA oceanoprincipal afonte fixação dode nitrogênio provemgasoso de(N₂) cargaspara continentaiso atravésoceano dosé rios,a mas boa parte provem dá[[Atmosfera terrestre|atmosfera]]. O oceano absorve esse nitrogênio gasoso (N₂) atmosférico, que pode ser fixado por cianobactérias marinhas. No oceano, assimAssim como em ambientes terrestres, a fixação biológica de nitrogênio no oceano tem um papel muito importante, visto que o nitrogênio é o principal [[nutriente]] limitante para a [[produção primária]] marinha.<ref name=":0" />.

Existem três grupos de organismos fixadores de nitrogênio nos oceanos: cianobactérias filamentosas com [[heterocisto]], cianobactérias filamentosas sem heterocisto e cianobactérias unicelulares.<ref>{{citar periódico|ultimo=MONTEIRO|primeiro=F.M|data=2010|titulo=Distribution of diverse nitrogen fixers in the global ocean|jornal=Global Biogeochemical Cycles|doi=|url=|acessadoem=}}</ref>.  Este último grupo foi descoberto em 1998 .<ref name=":0" /><ref>{{citar periódico|ultimo=ZEHR|primeiro=Jonathan P.|data=1998|titulo=New Nitrogen-Fixing Microorganisms Detected in Oligotrophic Oceans by Amplification of Nitrogenase (nifH) Genes|jornal=|doi=|url=|acessadoem=}}</ref>. O [[Táxon|taxon]] mais estudadoinvestigado é o gênero ''Trichodesmium'', cujos primeiros estudos datam da primeira metade do século XIX.<ref name=":0" />. ''Trichodesmium'' é uma cianobactéria diazotóficadiazotrófica colonial e filamentosa que comumente forma agregações macroscópicas constituídas de cadeias longas chamadas tricomas. Essas colônias chegam a formar manchas visíveis na superfície do oceano. ''Trichodesmium'' é o organismo fixador de nitrogênio mais importante no ecossistema marinho, sendo responsável por cerca de 50% de todo o nitrogênio fixado nos oceanos.<ref>{{Citar periódico|ultimo=Capone|primeiro=Douglas G.|ultimo2=Zehr|primeiro2=Jonathan P.|ultimo3=Paerl|primeiro3=Hans W.|ultimo4=Bergman|primeiro4=Birgitta|ultimo5=Carpenter|primeiro5=Edward J.|data=1997-05-23|titulo=Trichodesmium, a Globally Significant Marine Cyanobacterium|jornal=Science|volume=276|numero=5316|paginas=1221–1229|issn=0036-8075|doi=10.1126/science.276.5316.1221|url=http://science.sciencemag.org/content/276/5316/1221|idioma=en}}</ref>.

 AtéNo pouco tempo atrás,passado acreditaacreditava-se que os [[Micro-organismo|microorganismos]] marinhos fixadores de nitrogênio tinham um papel pouco relevante para o balanço de nitrogênio nos oceanos e no planeta como um todo.<ref name=":0" />. TrabalhosEntretanto, recentesestudos científicos apontam para uma possível influência da fixação do nitrogênio no processo de [[sequestro de carbono]] dosnos oceanos.<ref name=":2" />.

Elementos como [[fósforo]] e [[wikipedia:Trace_elementMetal de transição|metais traços]] traço (por exemplo, molibdênio e ferro) são essenciais para a [[bioquímica]] da fixação do nitrogênio.<ref>{{citar periódico|ultimo=ALLEN|primeiro=Mary B.|data=1995|titulo=Studies on Nitrogen-Fixing Blue-Green Algae. I. Growth and Nitrogen Fixation by Anabaena Cylindrica Lemm|jornal=Plant Physiology|doi=|url=|acessadoem=}}</ref><ref name=":4">{{Citar periódico|ultimo=Mills|primeiro=Matthew M.|ultimo2=Ridame|primeiro2=Celine|ultimo3=Davey|primeiro3=Margaret|ultimo4=Roche|primeiro4=Julie La|ultimo5=Geider|primeiro5=Richard J.|titulo=Iron and phosphorus co-limit nitrogen fixation in the eastern tropical North Atlantic|jornal=Nature|volume=429|numero=6989|paginas=292–294|doi=10.1038/nature02550|url=http://www.nature.com/doifinder/10.1038/nature02550}}</ref><ref>{{Citar periódico|ultimo=Capone|primeiro=Douglas G.|data=2001-06-01|titulo=Marine nitrogen fixation: what's the fuss?|jornal=Current Opinion in Microbiology|volume=4|numero=3|paginas=341–348|doi=10.1016/S1369-5274(00)00215-0|url=http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369527400002150}}</ref>. Consequentemente, esses elementos podem controlar a fixação biológica de nitrogênio. Ainda não existem comprovações definitivas de que esses elementos controlem a fixação oceânica do nitrogênio. Apesar disso, observações em áreas do [[Atlântico Norte]] mostramevidenciam que um aporte sazonal elevado de ferro na água está também associado a uma alta concentração de nitrogênio.<ref name=":4" />.

Recentes estudosEstudos apontaramapontam uma influência negativa da [[acidificação oceânica]] sobre fixação de nitrogênio marinhana água do mar.<ref name=":3" />. EstudosPesquisas com ''Trichodesmium'' revelaram que a acidificação da água do mar afeta negativamente a capacidade dessa cianobactéria em absorver ferro, nutriente essencial para a fixação do nitrogênio.<ref>{{Citar periódico|ultimo=Hong|primeiro=Haizheng|ultimo2=Shen|primeiro2=Rong|ultimo3=Zhang|primeiro3=Futing|ultimo4=Wen|primeiro4=Zuozhu|ultimo5=Chang|primeiro5=Siwei|ultimo6=Lin|primeiro6=Wenfang|ultimo7=Kranz|primeiro7=Sven A.|ultimo8=Luo|primeiro8=Ya-Wei|ultimo9=Kao|primeiro9=Shuh-Ji|data=2017-05-05|titulo=The complex effects of ocean acidification on the prominent N2-fixing cyanobacterium Trichodesmium|jornal=Science|volume=356|numero=6337|paginas=527–531|issn=0036-8075|pmid=28450383|doi=10.1126/science.aal2981|url=http://science.sciencemag.org/content/356/6337/527|idioma=en}}</ref><ref>{{Citar periódico|ultimo=Shi|primeiro=Dalin|ultimo2=Kranz|primeiro2=Sven A.|ultimo3=Kim|primeiro3=Ja-Myung|ultimo4=Morel|primeiro4=François M. M.|data=2012-11-06|titulo=Ocean acidification slows nitrogen fixation and growth in the dominant diazotroph Trichodesmium under low-iron conditions|jornal=Proceedings of the National Academy of Sciences|volume=109|numero=45|paginas=E3094–E3100|issn=0027-8424|pmid=23071328|doi=10.1073/pnas.1216012109|url=http://www.pnas.org/content/109/45/E3094|idioma=en}}</ref>.

O nitrogênio também pode se tornar disponível para os organismos vivos a partir de sua fixação [[Fator abiótico|abiótica]], mediada por descargas elétricas na atmosfera.<ref name=":5">{{Citar periódico|ultimo=Noxon|primeiro=J. F.|data=1976-08-01|titulo=Atmospheric nitrogen fixation by lightning|jornal=Geophysical Research Letters|volume=3|numero=8|paginas=463–465|issn=1944-8007|doi=10.1029/gl003i008p00463|url=http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/GL003i008p00463/abstract|idioma=en}}</ref><ref name=":6">{{Citar periódico|ultimo=Drapcho|primeiro=David L.|ultimo2=Sisterson|primeiro2=Douglas|ultimo3=Kumar|primeiro3=Romesh|data=1983-01-01|titulo=Nitrogen fixation by lightning activity in a thunderstorm|jornal=Atmospheric Environment (1967)|volume=17|numero=4|paginas=729–734|doi=10.1016/0004-6981(83)90420-1|url=http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0004698183904201}}</ref>. O nitrogênio reage com o oxigênio em condições de alta [[temperatura]] e [[pressão]], que podem ser encontradas durante uma [[tempestade]] com ocorrência de [[Raio (meteorologia)|raios]]. Durante uma [[tempestade]], a alta energia fornecida pelas descargas elétricas quebramquebra a [[Ligação química|ligação]] tripla existente entre as moléculas de nitrogênio, permitindo que elas interajamreajam com o oxigênio e formem [[óxidos de nitrogênio]]. Esses [[Óxido|óxidos]] se dissolvem na água da [[chuva]], caem no solo e formam [[Nitrato|nitratosnitrato]], que então podempode ser utilizadosabsorvido pelas plantas.<ref name=":5" /><ref name=":6" />.

O processo de fixação industrial do nitrogênio é muito dispendioso e envolve quantidades elevadas de [[Combustível fóssil|combustíveis fósseis]] para produzir um ambiente de alta temperatura e pressão.<ref name=":7">{{Citar livro|url=http://onlinelibrary.wiley.com/book/10.1002/14356007;jsessionid=A287213386A4ED0E9E6329A0AEB5B83C.f02t01?systemMessage=Wiley+Online+Library+%27Journal+Subscribe+%2F+Renew%27+page+will+be+down+on+Wednesday+05th+July+starting+at+08.00+EDT+%2F+13.00+BST+%2F+17.30+IST+for+up+to+75+minutes+due+to+essential+maintenance.|título=Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry|doi=10.1002/14356007|isbn=9783527306732}}</ref>. Os produtos desse processo (amônia e nitrato) são utilizados como [[Fertilizante|fertilizantes]] na agricultura. Essa atividade gera 450 milhões de toneladas de nitrogênio fixado por ano, a maioria nas formas de [[ureia]], [[nitrato de amôniaamônio]] e anidroanidrido.<ref>{{citar web|url=http://www.fertilizer.org/|titulo=Fertilizer Statistics. International Fertilizer Association|data=|acessodata=|publicado=|ultimo=|primeiro=}}</ref><ref>{{citar livro|título=Enriching the Earth: Fritz Haber, Carl Bosch, and the Transformation of world food production|ultimo=Smil|primeiro=Vaclav|editora=|ano=|local=|páginas=|acessodata=}}</ref>.

O uso excessivo de fertilizantes industriais tem gerado uma perturbação nas concentrações naturais de nitrogênio tanto no solo quanto em ambientes aquáticos, causando [[eutrofização]] em águas continentais e nomarinhas oceanocosteiras. Esse fenômeno pode desencadear [[Eflorescência algal|florações de algas]] que eventualmente diminuem a concentração de oxigênio na água.